EP1970539A1 - Diffuser assembly - Google Patents
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- EP1970539A1 EP1970539A1 EP07005175A EP07005175A EP1970539A1 EP 1970539 A1 EP1970539 A1 EP 1970539A1 EP 07005175 A EP07005175 A EP 07005175A EP 07005175 A EP07005175 A EP 07005175A EP 1970539 A1 EP1970539 A1 EP 1970539A1
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- flow
- flow guide
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- F05D2250/323—Arrangement of components according to their shape convergent
Definitions
- the invention relates to a diffuser arrangement and more particularly to an exhaust steam room of a steam turbine or an exhaust gas space of a gas turbine with the diffuser arrangement.
- a diffuser is a fluid-permeable channel which delays the fluid in a transfer-free flow through cross-sectional widening and according to Bernoulli's theorem reduces the kinetic pressure of the fluid in favor of the static pressure.
- diffusers are used in pipelines for pressure recovery or for continuous bridging of cross-sectional extensions (transitional diffuser).
- the diffusers are formed axially symmetrical.
- Fig. 4 a longitudinal section of an axisymmetric diffuser 101 is shown and shown schematically the flow occurring typically therein.
- the diffuser 101 has an inlet cross section 102 and an outlet cross section 103, whose area ratio is greater than one. Upstream of the diffuser 101, a cylindrical inflow pipe is arranged, through which an inflow 108 flows, and downstream of the diffuser 101 a cylindrical outflow pipe is arranged, through which an outflow 109 flows.
- the static pressure of the flow in the flow direction increases correspondingly, satisfying the first law of thermodynamics.
- the static pressure in the boundary layer is constant across the flow direction.
- the flow velocity of the near-wall flow decreases. After overcoming a certain flow path, the gradient of the flow velocity across and against the diffuser wall is zero. This location is a separation point 105 of the flow shown in the boundary layer profile 113.
- the flow moves away from the diffuser wall toward the center of the diffuser 101, forming a return flow downstream of the separation point 105 near the wall forming a detachment bladder 106.
- the detachment bladder 106 causes a constriction of the effective cross-section of the diffuser 101, so that the main flow in the region of the detachment bladder 106 is accelerated. As a result, the kinetic energy increases in the main flow and the flow settles in the outlet pipe at a restart point 107 again.
- the opening degree of the diffuser 101 largely determines the shape and size of the peel-off bubble 106 and the location of the peel-off point 105 and the optionally occurring reapplication point 107. The higher the opening degree of the diffuser 101, the further upstream the detachment point 105 is.
- the peel bladder 106 reduces the pressure recovery effect of the diffuser 101 as compared to a diffuser in which the flow is fully applied.
- a steam turbine or a gas turbine is driven at partial, basic and overload.
- the steam turbine or gas turbine whose individual components can be optimized geometrically optimized, for example, in terms of efficiency or aerodynamic or thermodynamic effectiveness only in a single operating point.
- the components can not operate optimally.
- the axial diffuser is optimally designed geometrically with regard to the base load so that the axial diffuser can not be optimally operated with partial and overload.
- the mass flow of the flow flowing through the axial diffuser is smaller in the partial load range than in the base load range, whereby the mean flow velocity in the axial diffuser is higher in the base load range than in the partial load range.
- the flow in the axial diffuser in the partial load range tends to be more detachable than the flow which occurs in the axial diffuser at base load.
- the object of the invention is to provide a diffuser arrangement whose pressure recovery is high and whose overall length is small.
- Fluid can flow through the diffuser arrangement according to the invention and has an outer diffuser having an inner surface and a flow accelerating device which is set up in such a way that at least part of the boundary layer flow forming on the inner surface of the outer diffuser can be accelerated in the main flow direction, so that a flow separation on the inner surface of the outer diffuser Outside diffusers is prevented.
- the fluid flows through the outer diffuser, it is retarded in the main flow direction, whereby the boundary layer flow which forms on the inner surface of the outer diffuser tends in principle to detach.
- the detachment would come from a place where the kinetic energy of the flow is zero.
- the flow acceleration device By means of the flow acceleration device according to the invention, at least part of the wall-near flow is accelerated, so that the kinetic energy of the wall-near flow is increased. Thereby, it is prevented that the kinetic energy of the near-wall flow is zero at any location, whereby a flow separation is prevented on the inner surface of the outer diffuser.
- the diffuser assembly has a high pressure recovery.
- the outer diffuser of the diffuser assembly may have a large degree of opening without flow separation occurring therein. As a result, the outer diffuser and thus the diffuser arrangement has a smaller overall length.
- the flow acceleration device preferably has a flow guide which extends within the outer diffuser and with its outer surface facing the inner surface of the outer diffuser and a section of the inner surface of the outer diffuser forms a nozzle channel through which the part of the boundary layer flow can be flowed.
- the flow accelerating means is constituted by the nozzle passage defined by the flow guide in cooperation with the inner wall of the outer diffuser. It is thereby achieved that directly on the inner surface of the outer diffuser the near-wall flow, ie just the flow component with otherwise low kinetic energy, is accelerated. This effectively prevents separation in the diffuser arrangement.
- the flow guiding device with its inner surface facing away from the outer surface, form an inner diffuser, through which the fluid flow can be flowed and thereby retarded in the main flow direction.
- the flow-guiding device in addition to the nozzle effect in the outer region, also has a diffuser effect in the inner region, so that the flow through the diffuser arrangement is greatly delayed. This ensures that the pressure recovery of the diffuser assembly according to the invention is high.
- the extent of the flow guide in the main flow direction is in the range of 5% to 40% of the extension in the main flow direction of the outer diffuser.
- the flow-guiding device is arranged completely within the outer diffuser and can be placed exactly at that region on the inner wall of the outer diffuser, at which a detachment of the fluid flow is to be expected.
- the flow directing can be targeted to a detachment vulnerable area, whereby an effective suppression of flow separation is achieved and yet the disturbance of the main flow through the flow guide is low.
- the outer diffuser and the flow guide are formed axially symmetrical and are arranged concentrically about a common axis of symmetry.
- the nozzle channel is formed as an annular channel.
- the diffuser assembly advantageously results as an array of multiple diffusers and a nozzle.
- This arrangement is formed by a series connection of the three diffusers, namely the region of the outer diffuser upstream of the flow guide, the inner diffuser of the Flow guiding device and the region of the outer diffuser downstream of the flow guide, and a parallel connection of the nozzle channel with the inner diffuser of the flow guide.
- the flow guide is designed as a straight baffle.
- the baffle is advantageously produced inexpensively.
- the flow guide is aerodynamically profiled.
- the flow guide has a low flow resistance.
- the flow-guiding device is arranged in the range from 80% to 100% of the channel height (radius) of the outer diffuser.
- the flow-guiding device is advantageously effective in the near-wall flow and thereby placed aerodynamically effective.
- the flow-guiding device is preferably arranged in the region of the inlet cross-section of the outer diffuser.
- the inlet flow into the outer diffuser of the flow guiding device to already have an accelerated flow in the boundary layer region, which thus does not tend to detach in the course along the inner surface of the outer diffuser.
- the flow-guiding device is mounted pivotably relative to the main flow.
- An evaporation chamber of a steam turbine or an exhaust gas chamber of a gas turbine preferably has the diffuser arrangement according to the invention.
- the flow acceleration device is arranged on the inner surface of the outer diffuser in the region of its inlet.
- a diffuser assembly 1 on an outer diffuser 2 which is formed around its axis of symmetry 3 rotationally symmetrical.
- an inlet cross-section 4 of the outer diffuser 2 In a plane perpendicular to the axis of symmetry 3 is an inlet cross-section 4 of the outer diffuser 2, through which an inflow 5 flows into the outer diffuser 2, and in another plane perpendicular to the symmetry axis 3 of the outer diffuser 2 is its outlet cross-section 6, from which an outflow 7 emerges from the outer diffuser 2.
- Limiting the interior of the outer diffuser 2 this has an inner surface 8.
- the outer diffuser 2 is designed as a straight diffuser, i. the inner surface 8 of the outer diffuser 2 forms a truncated cone, the cross-sectional area at the inlet cross-section 4 being smaller than the cross-sectional area at the outlet cross-section 6.
- the flow guide 9 is formed as a guide plate, which is rotationally symmetrical about the symmetry axis 3 of the outer diffuser 2 arranged concentrically with the outer diffuser 2 forms a truncated cone, which tapers upstream.
- the flow guide 9 has on its outer periphery an outer surface 10 which is inclined relative to the inner surface 8 of the outer diffuser 2 such that the annular space cross-section in a plane perpendicular to the symmetry axis 3, which is formed between the flow guide 9 and the outer diffuser 2, in the flow direction downsized.
- the outer surface 10 of the flow guide 9 cooperates with an opposite portion of the inner surface 8 of the outer diffuser 8 such that the annular channel, which is located between the flow guide 9 and the outer diffuser 2, forms a nozzle channel 11.
- the flow guide 9 Upstream, the flow guide 9 is bounded by its front edge 13 and downstream of its trailing edge 14.
- this Facing away from the outer surface 10 of the flow-guiding device 9, this has an inner surface 17 which forms an inner diffuser 18.
- the leading edge 13 of the flow guide 9 is arranged in a plane perpendicular to the symmetry axis 3 and forms an inlet cross section 19 of the inner diffuser 18 and the trailing edge 14 of the flow guide 9 is arranged in a plane perpendicular to the symmetry axis 3 and forms an outlet cross section 20 of the inner diffuser 18, wherein the Inlet section 19 is smaller than the outlet cross-section 20 is.
- the aerodynamic efficiency of the flow guide 9 can be seen.
- the flow guide 9 is formed as a profiled annular guide plate.
- the streamlines 21 have a convergent course in the main flow direction, as a result of which the flow acceleration caused by the flow-guiding device 9 is indicated.
- the wall normal velocity gradient on the inner surface 8 of the outer diffuser 2 is upstream of the flow guide 9 in the velocity profile flatter than the velocity profile 23 at the trailing edge 14 of the flow guide 9, which is shallower than the wall normal velocity gradient of the velocity profile 24 downstream of the flow device 9th
- the flow which is conducted by the flow-guiding device 9 through the nozzle channel 11 is accelerated (energized).
- the flow guide 9 locally increases the velocity of the flow in the vicinity of the inner surface 12 of the outer diffuser 2.
- high-energy flow material from the core flow is directed toward the inner surface 12 of the outer diffuser 2 and thus the boundary layer on the inner surface 12 of the outer diffuser 2 supplied.
- the boundary layer on the inner surface 12 of the outer diffuser 2 can overcome larger positive pressure gradients in the main flow direction without detaching from the inner surface 12 of the outer diffuser 2.
- the outer diffuser 2 reacts more benignly against premature detachment.
- a high pressure recovery of the outer diffuser 2 is achieved.
- Fig. 3 shows an exhaust space of a gas turbine, which is formed as the outer diffuser 2.
- the outer diffuser 2 is arranged downstream of a turbine rotor 25 and continues the outflow emerging from the turbine rotor 25 from the inlet cross section 4 of the outer diffuser 2 to the outlet cross section 6 of the outer diffuser 2 under pressure recovery.
- the turbine rotor 25 has a turbine rotor hub 26, which is continued by a cylindricalfactendiffusornabe 27 with the turbine rotor hub 26.
- the turbine rotor 25 has a plurality of turbine rotor blades 28 which at their radial outer ends a Have blade tip 29.
- the turbine rotor 25 is surrounded by a turbine housing 30. In operation, the turbine rotor 25 rotates about its axis of rotation (not shown) while the turbine housing 30 remains stationary. Therefore, a gap 31 is provided between the turbine rotor blade tip 29 and the turbine housing 30 so that the turbine rotor blade tip 29 does not touch the turbine housing 30 during operation of the turbine rotor 25.
- Fig. 3 is provided by arranging the flow guide 9 near the inner surface 8 of the outer diffuser 2 in the region of the inlet cross section of the outer diffuser 4 remedy.
- the boundary layer disturbed by the leakage flow is accelerated by the flow guide 9 on the inner surface of the outer diffuser 8 in the main flow direction, so that the kinetic energy in this flow area is increased.
- This ensures that the flow in the outer diffuser 2 does not detach on the inner surface 8 of the outer diffuser 2.
- the flow losses in the outer diffuser 2 are low and the pressure gain of the outer diffuser 2 is high.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Diffusoranordnung und insbesondere einen Abdampfraum einer Dampfturbine oder einen Abgasraum einer Gasturbine mit der Diffusoranordnung.The invention relates to a diffuser arrangement and more particularly to an exhaust steam room of a steam turbine or an exhaust gas space of a gas turbine with the diffuser arrangement.
Ein Diffusor ist ein von Fluid durchströmbarer Kanal, der bei ablösefreier Durchströmung durch Querschnittserweiterung das Fluid verzögert und gemäß dem Satz von Bernoulli den kinetischen Druck des Fluids zugunsten des statischen Drucks reduziert.A diffuser is a fluid-permeable channel which delays the fluid in a transfer-free flow through cross-sectional widening and according to Bernoulli's theorem reduces the kinetic pressure of the fluid in favor of the static pressure.
Die Qualität des Diffusors wird durch den Druckrückgewinnungskoeffizienten beschrieben, der mit
Beispielsweise werden Diffusoren in Rohrleitungen zur Druckrückgewinnung oder zur stetigen Überbrückung von Querschnittserweiterungen (Übergangsdiffusor) verwendet. Bei Rohrleitungen mit kreisförmigem Querschnitt sind die Diffusoren axialsymmetrisch ausgebildet. In
Aufgrund der Haftung des Fluids an der Diffusorwand bildet sich in der wandnahen Strömung eine Grenzschicht aus. In der unteren Hälfte des in
Da die Strömung in dem Diffusor 101 verzögert wird, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit der Hauptströmung in Strömungsrichtung ab, wodurch unter Erfüllung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik der statische Druck der Strömung in Strömungsrichtung entsprechend zunimmt. Gemäß der Prandtl'schen Grenzschichttheorie ist der statische Druck in der Grenzschicht quer zur Strömungsrichtung konstant.As the flow in the
Aufgrund der Verzögerungswirkung des Diffusors 101 und der Haftbedingung an der Diffusorwand nimmt die Strömungsgeschwindigkeit der wandnahen Strömung ab. Nach Überwinden eines bestimmten Strömungswegs ist der Gradient der Strömungsgeschwindigkeit quer zur und an der Diffusorwand Null. Diese Stelle ist ein Ablösepunkt 105 der Strömung, der in dem Grenzschichtprofil 113 gezeigt ist.Due to the retarding effect of the
Im Ablösepunkt 105 bewegt sich die Strömung von der Diffusorwand weg hin zur Mitte des Diffusors 101, wobei sich stromab des Ablösepunkts 105 in Wandnähe eine Rückströmung ausbildet, die eine Ablöseblase 106 formt. Die Ablöseblase 106 bewirkt eine Verengung des effektiv durchströmten Querschnitts des Diffusors 101, so dass die Hauptströmung im Bereich der Ablöseblase 106 beschleunigt wird. Dadurch erhöht sich in der Hauptströmung die kinetische Energie und die Strömung legt sich in dem Austrittsrohr an einem Wiederanlegepunkt 107 wieder an.At the
Der Öffnungsgrad des Diffusors 101 bestimmt maßgeblich die Form und die Größe der Ablöseblase 106 und die Lage des Ablösepunkts 105 und des gegebenenfalls auftretenden Wiederanlegepunkts 107. Je höher der Öffnungsgrad des Diffusors 101 ist, umso weiter stromauf liegt der Ablösepunkt 105.The opening degree of the
Aufgrund der Verengung des effektiven Querschnitts des Diffusors 101 reduziert die Ablöseblase 106 die Druckrückgewinnungswirkung des Diffusors 101 verglichen mit einem Diffusor, in dem die Strömung vollständig anliegt.Due to the narrowing of the effective cross section of the
Eine Dampfturbine oder eine Gasturbine wird bei Teil-, Grund und Überlast gefahren. Bei der Konstruktion und Auslegung der Dampf- oder Gasturbine können deren einzelne Komponenten beispielsweise hinsichtlich Wirkungsgrad oder aerodynamische bzw. thermodynamische Wirksamkeit nur in einem einzigen Betriebspunkt optimiert geometrisch ausgelegt werden. Dies hat zur Folge, dass in anderen Betriebspunkten, die nicht identisch mit dem Auslegungsbetriebspunkt sind, die Komponenten nicht optimal arbeiten können.A steam turbine or a gas turbine is driven at partial, basic and overload. In the construction and design of the steam turbine or gas turbine whose individual components can be optimized geometrically optimized, for example, in terms of efficiency or aerodynamic or thermodynamic effectiveness only in a single operating point. As a result, in other operating points that are not identical to the design operating point, the components can not operate optimally.
Dieser Umstand trifft auch für einen Abdampfraum der Dampfturbine oder einen Abgasraum der Gasturbine zu. Der Abdampfraum oder der Abgasraum ist herkömmlich als ein Axialdiffusor ausgeführt.This situation also applies to an exhaust steam room of the steam turbine or an exhaust space of the gas turbine. The Abdampfraum or the exhaust gas space is conventionally designed as an axial diffuser.
In der Regel wird der Axialdiffusor hinsichtlich der Grundlast optimiert geometrisch ausgelegt, so dass bei Teil- und Überlast der Axialdiffusor nicht optimal betrieben werden kann.As a rule, the axial diffuser is optimally designed geometrically with regard to the base load so that the axial diffuser can not be optimally operated with partial and overload.
Am Eintritt des Axialdiffusors liegt bei optimalem Design ein niedrigerer statischer Druck als am Austritt vor. Durch die Absenkung des Drucks am Diffusoreintritt, der zugleich den Austritt der Beschaufelung darstellt, wird der letzte Laufschaufelkranz zu einer höheren Leistungsabgabe gebracht.At the entrance of the axial diffuser there is a lower static pressure than at the outlet with optimal design. By lowering the pressure at the diffuser inlet, which also represents the outlet of the blading, the last blade ring is brought to a higher power output.
Der Massenstrom der den Axialdiffusor durchströmenden Strömung ist im Teillastbereich kleiner als im Grundlastbereich, wodurch die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Axialdiffusor im Grundlastbereich höher ist als im Teillastbereich. Dadurch neigt die Strömung im Axialdiffusor im Teillastbereich stärker zur Ablösung als die Strömung, die bei Grundlast im Axialdiffusor auftritt.The mass flow of the flow flowing through the axial diffuser is smaller in the partial load range than in the base load range, whereby the mean flow velocity in the axial diffuser is higher in the base load range than in the partial load range. As a result, the flow in the axial diffuser in the partial load range tends to be more detachable than the flow which occurs in the axial diffuser at base load.
Somit ist der Druckrückgewinn im Axialdiffusor bei Teillast verglichen mit der Druckrückgewinnung bei Grundlast geringer. Dies hat zur Folge, dass bei Teillast die Turbinenleistung erniedrigt ist, verglichen mit der Turbinenleistung bei Grundlast. Der Einfluss einer Verbesserung im Druckrückgewinn eines Gasturbinendiffusors von cp=0,1 wurde von Farohki zu 0,8% der abgegebenen Turbinenleistung abgeschätzt. Dieser Zusammenhang ist analog für axial abströmende Dampfturbinen zutreffend.Thus, the pressure recovery in the axial diffuser at part load is lower compared to the pressure recovery at base load. This has the consequence that at partial load, the turbine power is reduced compared to the turbine power at base load. The influence of an improvement in the pressure recovery of a gas turbine diffuser of c p = 0.1 was estimated by Farohki to be 0.8% of the turbine output power. This relationship applies analogously to axially flowing steam turbines.
Abhilfe könnte hier eine Reduktion des Öffnungsgrads des Axialdiffusors schaffen, da dadurch die Strömung weniger stark verzögert wird und somit weniger stark zur Ablösung neigt. Jedoch verlängert sich dadurch die Baulänge des Axialdiffusors, wodurch sich die gesamte Baulänge der Dampf- bzw. Gasturbine nachteilig vergrößert.A remedy for this could be a reduction in the degree of opening of the axial diffuser, since this slows down the flow less and thus tends less to detach. However, this lengthens the overall length of the axial diffuser, which adversely increases the overall length of the steam turbine or gas turbine.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Diffusoranordnung zu schaffen, deren Druckrückgewinnung hoch und deren Baulänge klein ist.The object of the invention is to provide a diffuser arrangement whose pressure recovery is high and whose overall length is small.
Die erfindungsgemäße Diffusoranordnung ist von Fluid durchströmbar und weist einen eine Innenoberfläche aufweisenden Außendiffusor und eine Strömungsbeschleunigungseinrichtung auf, die derart eingerichtet ist, dass wenigstens ein Teil der an der Innenoberfläche des Außendiffusors sich ausbildenden Grenzschichtströmung in Hauptströmungsrichtung beschleunigbar ist, so dass eine Strömungsablösung an der Innenoberfläche des Außendiffusors unterbunden ist.Fluid can flow through the diffuser arrangement according to the invention and has an outer diffuser having an inner surface and a flow accelerating device which is set up in such a way that at least part of the boundary layer flow forming on the inner surface of the outer diffuser can be accelerated in the main flow direction, so that a flow separation on the inner surface of the outer diffuser Outside diffusers is prevented.
Strömt das Fluid durch den Außendiffusor, so wird es in Hauptströmungsrichtung verzögert, wodurch die an der Innenoberfläche des Außendiffuors sich ausbildende Grenzschichtströmung prinzipiell zu einer Ablösung neigt. Die Ablösung würde von einem Ort ausgehen, an dem die kinetische Energie der Strömung Null ist.If the fluid flows through the outer diffuser, it is retarded in the main flow direction, whereby the boundary layer flow which forms on the inner surface of the outer diffuser tends in principle to detach. The detachment would come from a place where the kinetic energy of the flow is zero.
Mittels der erfindungsgemäßen Strömungsbeschleunigungseinrichtung wird wenigstens ein Teil der wandnahen Strömung beschleunigt, so dass die kinetische Energie der wandnahen Strömung erhöht ist. Dadurch ist es unterbunden, dass die kinetische Energie der wandnahen Strömung an keinem Ort Null ist, wodurch eine Strömungsablösung an der Innenoberfläche des Außendiffusors unterbunden ist. Somit hat die Diffusoranordnung einen hohen Druckrückgewinn.By means of the flow acceleration device according to the invention, at least part of the wall-near flow is accelerated, so that the kinetic energy of the wall-near flow is increased. Thereby, it is prevented that the kinetic energy of the near-wall flow is zero at any location, whereby a flow separation is prevented on the inner surface of the outer diffuser. Thus, the diffuser assembly has a high pressure recovery.
Ferner kann der Außendiffusor der Diffusoranordnung einen großen Öffnungsgrad aufweisen, ohne dass in ihm eine Strömungsablösung auftritt. Dadurch hat der Außendiffusor und somit die Diffusoranordnung eine kleinere Baulänge.Further, the outer diffuser of the diffuser assembly may have a large degree of opening without flow separation occurring therein. As a result, the outer diffuser and thus the diffuser arrangement has a smaller overall length.
Bevorzugt weist die Strömungsbeschleunigungseinrichtung eine Strömungsleiteinrichtung auf, die sich innerhalb des Außendiffusors erstreckt und mit ihrer der Innenoberfläche des Außendiffusors zugewandten Außenoberfläche und einem Abschnitt der Innenoberfläche des Außendiffuors einen Düsenkanal ausbildet, durch den der Teil der Grenzschichtströmung strömbar ist.The flow acceleration device preferably has a flow guide which extends within the outer diffuser and with its outer surface facing the inner surface of the outer diffuser and a section of the inner surface of the outer diffuser forms a nozzle channel through which the part of the boundary layer flow can be flowed.
Somit wird die Strömungsbeschleunigungseinrichtung von dem Düsenkanal gebildet, der von der Strömungsleiteinrichtung unter Zusammenwirken mit der Innenwand des Außendiffusors definiert ist. Dadurch wird erreicht, dass unmittelbar an der Innenoberfläche des Außendiffusors die wandnahe Strömung, d.h. gerade der Strömungsanteil mit sonst niedriger kinetischer Energie, beschleunigt wird. Dadurch wird effektiv eine Ablösung in der Diffusoranordnung unterbunden.Thus, the flow accelerating means is constituted by the nozzle passage defined by the flow guide in cooperation with the inner wall of the outer diffuser. It is thereby achieved that directly on the inner surface of the outer diffuser the near-wall flow, ie just the flow component with otherwise low kinetic energy, is accelerated. This effectively prevents separation in the diffuser arrangement.
Es ist bevorzugt, dass die Strömungsleiteinrichtung mit ihrer der Außenoberfläche abgewandten Innenoberfläche einen Innendiffusor ausbildet, durch den die Fluidströmung strömbar und dabei in Hauptströmungsrichtung verzögerbar ist.It is preferred that the flow guiding device, with its inner surface facing away from the outer surface, form an inner diffuser, through which the fluid flow can be flowed and thereby retarded in the main flow direction.
Somit hat neben der Düsenwirkung im Außenbereich die Strömungsleiteinrichtung auch eine Diffusorwirkung im Innenbereich, so dass die Strömung durch die Diffusoranordung stark verzögert wird. Dadurch wird erreicht, dass die Druckrückgewinnung der erfindungsgemäßen Diffusoranordnung hoch ist.Thus, in addition to the nozzle effect in the outer region, the flow-guiding device also has a diffuser effect in the inner region, so that the flow through the diffuser arrangement is greatly delayed. This ensures that the pressure recovery of the diffuser assembly according to the invention is high.
Ferner ist bevorzugt, dass die Erstreckung der Strömungsleiteinrichtung in Hauptströmungsrichtung im Bereich von 5 % bis 40 % der Erstreckung in Hauptströmungsrichtung des Außendiffusors liegt.Further, it is preferable that the extent of the flow guide in the main flow direction is in the range of 5% to 40% of the extension in the main flow direction of the outer diffuser.
Dadurch ist die Strömungsleiteinrichtung vollständig innerhalb des Außendiffusors angeordnet und kann genau an jenem Bereich an der Innenwand des Außendiffusors platziert werden, an dem eine Ablösung der Fluidströmung zu erwarten ist. Somit kann die Strömungsleiteinrichtung gezielt an einen ablösegefährdeten Bereich angeordnet werden, wodurch eine effektive Unterbindung von Strömungsablösung erzielt ist und dennoch die Störung der Hauptströmung durch die Strömungsleiteinrichtung gering ist.As a result, the flow-guiding device is arranged completely within the outer diffuser and can be placed exactly at that region on the inner wall of the outer diffuser, at which a detachment of the fluid flow is to be expected. Thus, the flow directing can be targeted to a detachment vulnerable area, whereby an effective suppression of flow separation is achieved and yet the disturbance of the main flow through the flow guide is low.
Es ist bevorzugt, dass der Außendiffusor und die Strömungsleiteinrichtung axialsymmetrisch ausgebildet sind und um eine gemeinsame Symmetrieachse konzentrisch angeordnet sind.It is preferred that the outer diffuser and the flow guide are formed axially symmetrical and are arranged concentrically about a common axis of symmetry.
Ferner ist bevorzugt, dass der Düsenkanal als ein Ringkanal ausgebildet ist.Furthermore, it is preferred that the nozzle channel is formed as an annular channel.
Hieraus ergibt sich die Diffusoranordnung vorteilhaft als eine Anordnung von mehreren Diffusoren und einer Düse. Diese Anordnung ist gebildet von einer Hintereinanderschaltung von den drei Diffusoren, nämlich den Bereich des Außendiffusors stromauf der Strömungsleiteinrichtung, den Innendiffusor der Strömungsleiteinrichtung und den Bereich des Außendiffusors stromab der Strömungsleiteinrichtung, und einer Parallelschaltung des Düsenkanals mit dem Innendiffusor der Strömungsleiteinrichtung. Dadurch ist eine kompakte, einfache und effektiv wirkende Unterteilung des Außendiffusors erreicht, wobei die Diffusoranordnung eine kompakte Bauweise hat.As a result, the diffuser assembly advantageously results as an array of multiple diffusers and a nozzle. This arrangement is formed by a series connection of the three diffusers, namely the region of the outer diffuser upstream of the flow guide, the inner diffuser of the Flow guiding device and the region of the outer diffuser downstream of the flow guide, and a parallel connection of the nozzle channel with the inner diffuser of the flow guide. As a result, a compact, simple and effectively acting subdivision of the outer diffuser is achieved, wherein the diffuser arrangement has a compact design.
Bevorzugt ist die Strömungsleiteinrichtung als ein gerades Leitblech ausgebildet.Preferably, the flow guide is designed as a straight baffle.
Dadurch ist vorteilhaft das Leitblech kostengünstig herstellbar.As a result, the baffle is advantageously produced inexpensively.
Alternativ dazu ist es bevorzugt, dass die Strömungsleiteinrichtung aerodynamisch profiliert ist.Alternatively, it is preferred that the flow guide is aerodynamically profiled.
Dadurch hat die Strömungsleiteinrichtung einen niedrigen Strömungswiderstand.As a result, the flow guide has a low flow resistance.
Ferner ist bevorzugt, dass die Strömungsleiteinrichtung im Bereich von 80 % bis 100 % der Kanalhöhe (Radius) des Außendiffusors angeordnet ist.Furthermore, it is preferred that the flow-guiding device is arranged in the range from 80% to 100% of the channel height (radius) of the outer diffuser.
Dadurch ist vorteilhaft die Strömungsleiteinrichtung in der wandnahen Strömung wirksam und dadurch aerodynamisch effektiv platziert.As a result, the flow-guiding device is advantageously effective in the near-wall flow and thereby placed aerodynamically effective.
Ferner ist die Strömungsleiteinrichtung bevorzugt im Bereich des Eintrittsquerschnitts des Außendiffusors angeordnet.Furthermore, the flow-guiding device is preferably arranged in the region of the inlet cross-section of the outer diffuser.
Dadurch ist es vorteilhaft ermöglicht, dass die Eintrittsströmung in den Außendiffusor von der Strömungsleiteinrichtung bereits im Grenzschichtbereich eine beschleunigte Strömung aufweist, die im Verlauf entlang der Innenoberfläche des Außendiffusors somit nicht zur Ablösung neigt.As a result, it is advantageously possible for the inlet flow into the outer diffuser of the flow guiding device to already have an accelerated flow in the boundary layer region, which thus does not tend to detach in the course along the inner surface of the outer diffuser.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Strömungsleiteinrichtung relativ zur Hauptströmung verschwenkbar gelagert ist.Furthermore, it is preferred that the flow-guiding device is mounted pivotably relative to the main flow.
Damit wird vorteilhaft erreicht, dass die Strömungsleiteinrichtung bezogen auf die jeweiligen Strömungsverhältnisse innerhalb des Außendiffusors individuell durch Verschwenken derart verstellt werden kann, dass die Strömungsleiteinrichtung aerodynamisch effektiv ist.This advantageously achieves that the flow guide can be adjusted individually by pivoting relative to the respective flow conditions within the outer diffuser such that the flow guide is aerodynamically effective.
Bevorzugt weist ein Abdampfraum einer Dampfturbine bzw. ein Abgasraum einer Gasturbine die erfindungsgemäße Diffusoranordnung auf.An evaporation chamber of a steam turbine or an exhaust gas chamber of a gas turbine preferably has the diffuser arrangement according to the invention.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Strömungsbeschleunigungseinrichtung an der Innenoberfläche des Außendiffusors im Bereich seines Eintritts angeordnet ist.Furthermore, it is preferred that the flow acceleration device is arranged on the inner surface of the outer diffuser in the region of its inlet.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Diffusoranordnung an Hand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
- Fig. 1
- einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der Diffusoranordnung,
- Fig. 2
- einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Diffusoranordnung,
- Fig. 3
- einen Längsschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel der Diffusoranordnung und
- Fig. 4
- einen Längsschnitt eines Diffusors mit schematischer Darstellung der Strömungsverhältnisse.
- Fig. 1
- a longitudinal section through a first embodiment of the diffuser arrangement,
- Fig. 2
- a longitudinal section through a second embodiment of the diffuser assembly,
- Fig. 3
- a longitudinal section through a third embodiment of the diffuser assembly and
- Fig. 4
- a longitudinal section of a diffuser with a schematic representation of the flow conditions.
Wie es aus
Der Außendiffusor 2 ist als gerader Diffusor ausgebildet, d.h. die Innenoberfläche 8 des Außendiffusors 2 bildet einen Kegelstumpf, wobei die Querschnittsfläche am Eintrittsquerschnitt 4 kleiner ist als die Querschnittsfläche am Austrittsquerschnitt 6.The
Im Inneren des Außendiffusors 2 ist eine Strömungsleiteinrichtung 9 angeordnet. Die Strömungsleiteinrichtung 9 ist als ein Leitblech ausgebildet, das rotationssymmetrisch um die Symmetrieachse 3 des Außendiffusors 2 angeordnet konzentrisch mit dem Außendiffusor 2 einen Kegelstumpf bildet, der stromauf sich verjüngt.Inside the
Die Strömungsleiteinrichtung 9 weist an ihrem Außenumfang eine Außenoberfläche 10 auf, die bezogen auf die Innenoberfläche 8 des Außendiffusors 2 derart geneigt ist, dass der Ringraumquerschnitt in einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse 3, der zwischen der Strömungsleiteinrichtung 9 und dem Außendiffusor 2 ausgebildet ist, in Strömungsrichtung sich verkleinert.The
D.h., die Außenoberfläche 10 der Strömungsleiteinrichtung 9 wirkt mit einem ihr gegenüberliegenden Abschnitt der Innenoberfläche 8 des Außendiffusors 8 derart zusammen, dass der Ringkanal, der zwischen der Strömungsleiteinrichtung 9 und dem Außendiffusor 2 liegt, einen Düsenkanal 11 bildet. Somit ist der Abschnitt der Innenoberfläche 8 des Außendiffusors 2, der der Außenoberfläche 10 der Strömungsleiteinrichtung 9 zugewandt ist, eine Innenoberfläche 12 des Düsenkanals 11.That is, the
Stromauf wird die Strömungsleiteinrichtung 9 von ihrer Vorderkante 13 und stromab von ihrer Hinterkante 14 begrenzt. Im Bereich von der Vorderkante 13 der Strömungsleiteinrichtung 9 bis zur Innenoberfläche 8 des Außendiffusors 2 befindet sich ein Eintrittsquerschnitt 15 des Düsenkanals 11 und im Bereich der Hinterkante 14 der Strömungsleiteinrichtung 9 bis zur Innenoberfläche 8 des Außendiffusors 2 befindet sich der Austrittsquerschnitt 16 des Düsenkanals 11, wobei die Querschnittsfläche des Eintrittsquerschnitts 15 größer ist als die Querschnittsfläche des Austrittsquerschnitts 16.Upstream, the
Der Außenoberfläche 10 der Strömungsleiteinrichtung 9 abgewandt weist diese eine Innenoberfläche 17 auf, die einen Innendiffusor 18 bildet. Die Vorderkante 13 der Strömungsleiteinrichtung 9 ist in einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse 3 angeordnet und bildet einen Eintrittsquerschnitt 19 des Innendiffusors 18 und die Hinterkante 14 der Strömungsleiteinrichtung 9 ist in einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse 3 angeordnet und bildet einen Austrittsquerschnitt 20 des Innendiffusors 18, wobei der Eintrittsquerschnitt 19 kleiner ist als der Austrittsquerschnitt 20 ist.Facing away from the
Aus
Zur Darstellung der Strömungsverhältnisse in der Diffusoranordnung 1 sind in
Die Stromlinien 21 weisen in Hauptströmungsrichtung einen konvergierenden Verlauf auf, wodurch die Strömungsbeschleunigung hervorgerufen durch die Strömungsleiteinrichtung 9 anzeigt ist. Der wandnormale Geschwindigkeitsgradient an der Innenoberfläche 8 des Außendiffusors 2 ist bei dem Geschwindigkeitsprofil stromauf 22 der Strömungsleiteinrichtung 9 flacher als bei dem Geschwindigkeitsprofil 23 an der Hinterkante 14 der Strömungsleiteinrichtung 9, das flacher ist als der wandnormale Geschwindigkeitsgradient des Geschwindigkeitsprofils 24 stromab der Strömungseinrichtung 9.The
Dadurch ist gezeigt, dass die Strömung, die von der Strömungsleiteinrichtung 9 durch den Düsenkanal 11 geleitet wird, beschleunigt (energetisiert) wird. Somit erhöht die Strömungsleiteinrichtung 9 lokal die Geschwindigkeit der Strömung in der Nähe der Innenoberfläche 12 des Außendiffusors 2. Dabei wird energiereiches Strömungsmaterial aus der Kernströmung in Richtung zur Innenoberfläche 12 des Außendiffusors 2 gelenkt und somit der Grenzschicht an der Innenoberfläche 12 des Außendiffusors 2 zugeführt. In Folge dieser Energetisierung kann die Grenzschicht an der Innenoberfläche 12 des Außendiffusors 2 größere positive Druckgradienten in Hauptströmungsrichtung überwinden ohne dabei von der Innenoberfläche 12 des Außendiffusors 2 abzulösen.As a result, it is shown that the flow which is conducted by the flow-guiding
Dadurch reagiert der Außendiffusor 2 gutmütiger gegen frühzeitige Ablöseerscheinungen. Somit wird durch Vorsehen der Strömungsleiteinrichtung 9 in dem Außendiffusor 2 ein hoher Druckrückgewinn des Außendiffusors 2 erzielt.As a result, the
Der Turbinenrotor 25 weist eine Turbinenrotornabe 26 auf, die von einer zylindrischen Außendiffusornabe 27 mit der Turbinenrotornabe 26 weitergeführt ist.The
Der Turbinenrotor 25 weist eine Vielzahl von Turbinenrotorschaufeln 28 auf, die an ihren radialen Außenenden eine Schaufelspitze 29 aufweisen. Der Turbinenrotor 25 ist von einem Turbinengehäuse 30 ummantelt. Im Betrieb des Turbinenrotors 25 dreht sich dieser um seine Rotationsachse (nicht gezeigt), während das Turbinengehäuse 30 ortsfest bleibt. Daher ist zwischen der Turbinenrotorschaufelspitze 29 und dem Turbinengehäuse 30 ein Spalt 31 vorgesehen, damit die Turbinenrotorschaufelspitze 29 im Betrieb des Turbinenrotors 25 nicht an das Turbinengehäuse 30 anstreift.The
Um das Anstreifen der Laufschaufeln am Turbinengehäuse 30 und damit Schäden zu vermeiden, ist ein Mindestabstand als Spalt 31, das sogenannte Spiel, zwischen Rotorschaufel 28 und Gehäuse 30 notwendig. Durch diesen Spalt kann ein Teil des Massenstromes ohne Leistungsabgabe an die Rotorschaufel 28 durchströmen und führt zu einer Energetisierung der Grenzschicht. In Abhängigkeit von der Gestaltung dieses Spalts 31 mit oder ohne Abdichtung kann mehr oder weniger Massenstrom durchströmen. Um eine nachfolgende Ablösung der Strömung im Diffusor zu vermeiden bzw. stark zu verzögern, ist eine weitere Energetisierung der Grenzschicht durch die Strömungsleiteinrichtung 9 erwünscht.In order to avoid scratching of the blades on the
Gemäß
Claims (12)
die derart eingerichtet ist,
dass wenigstens ein Teil der an der Innenoberfläche (8) des Außendiffusors (2) sich ausbildenden Grenzschichtströmung in Hauptströmungsrichtung beschleunigbar ist,
so dass eine Strömungsablösung an der Innenoberfläche (8) des Außendiffusors (2) unterbunden ist.Fluid-flowable diffuser arrangement (1) having an outer surface having an outer diffuser (2) and a flow acceleration device (9),
which is set up in such a way
in that at least part of the boundary layer flow which forms on the inner surface (8) of the outer diffuser (2) can be accelerated in the main flow direction,
so that a flow separation on the inner surface (8) of the outer diffuser (2) is prevented.
wobei die Strömungsbeschleunigungseinrichtung eine Strömungsleiteinrichtung (9) aufweist, die sich innerhalb des Außendiffurors (2) erstreckt und mit ihrer der Innenoberfläche (8) des Außendiffusors (2) zugewandten Außenoberfläche (10) und einem Abschnitt der Innenoberfläche (8) des Außendiffusors (2) einen Düsenkanal (11) ausbildet, durch den der Teil der Grenzschichtströmung strömbar ist.Diffuser assembly (1) according to claim 1,
wherein the flow acceleration device comprises a flow guide (9) which extends inside the outer diffuser (2) and with its outer surface (10) facing the inner surface (8) of the outer diffuser (2) and a portion of the inner surface (8) of the outer diffuser (2). forms a nozzle channel (11) through which the part of the boundary layer flow is flowable.
wobei die Strömungsleiteinrichtung (9) mit ihrer ihrer Außenoberfläche (10) abgewandten Innenoberfläche (17) einen Innendiffusor (18) ausbildet, durch den die Fluidströmung strömbar und dabei in Hauptströmungsrichtung verzögerbar ist.Diffuser assembly (1) according to claim 2,
wherein the flow guide (9) with its outer surface (10) facing away from inner surface (17) forms an inner diffuser (18) through which the fluid flow is flowable and thereby delayable in the main flow direction.
wobei in Hauptströmungsrichtung die Erstreckung der Strömungsleiteinrichtung (9) im Bereich von 5% bis 40% der Erstreckung des Außendiffusors (2) liegt.Diffuser arrangement (1) according to claim 2 or 3,
wherein in the main flow direction, the extension of the flow guide (9) in the range of 5% to 40% of the extent of the outer diffuser (2).
wobei der Außendiffusor (2) und die Strömungsleiteinrichtung (9) axialsymmetrisch ausgebildet sind und um eine gemeinsame Symmetrieachse (3) konzentrisch angeordnet sind.Diffuser arrangement (1) according to one of claims 2 to 4,
wherein the outer diffuser (2) and the flow guide (9) are formed axially symmetrical and are arranged concentrically about a common axis of symmetry (3).
wobei der Düsenkanal (11) als ein Ringkanal ausgebildet ist.Diffuser arrangement (1) according to one of claims 2 to 5,
wherein the nozzle channel (11) is designed as an annular channel.
wobei die Strömungsleiteinrichtung (9) als ein gerades Leitblech ausgebildet oder aerodynamisch profiliert ist.Diffuser arrangement (1) according to one of claims 2 to 6,
wherein the flow guide (9) is formed as a straight baffle or aerodynamically profiled.
wobei die Strömungsleiteinrichtung (9) im Bereich von 80% bis 100% der Kanalhöhe des Außendiffusors (2) angeordnet ist.Diffuser arrangement (1) according to one of claims 2 to 7,
wherein the flow guide (9) in the range of 80% to 100% of the channel height of the outer diffuser (2) is arranged.
wobei die Strömungsleiteinrichtung (9) im Bereich des Eintrittsquerschnitts (4) des Außendiffusors (2) angeordnet ist.Diffuser arrangement (1) according to one of claims 2 to 8,
wherein the flow guide (9) in the region of the inlet cross-section (4) of the outer diffuser (2) is arranged.
wobei die Strömungsleiteinrichtung (9) relativ zur Hauptströmungsrichtung verschwenkbar gelagert ist.Diffuser arrangement (1) according to one of claims 2 to 9,
wherein the flow guide (9) is pivotally mounted relative to the main flow direction.
mit einer Diffusoranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.Abdampfraum a steam turbine,
with a diffuser arrangement (1) according to one of claims 1 to 10.
mit einer Diffusoranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.Exhaust gas space of a gas turbine,
with a diffuser arrangement (1) according to one of claims 1 to 10.
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